● 摘要
激光雷达以激光为辐射源，相比微波雷达具有体积小、抗干扰性强、分辨率高和测量精度高的优势。但激光容易受到大气的影响，激光在大气传输的过程中，会与气体分子和微粒发生相互作用，从而产生大气散射和大气吸收效应。此外，大气中存在的湍流漩涡，会使激光的光强和相位发生随机变化，最终导致光束漂移、光束扩展和光强闪烁等大气湍流效应，影响接收机接收到的信号质量。因此用激光进行探测的激光雷达也容易遭受到气候的影响，导致目标的搜索和捕获困难。所以，激光雷达信号在大气中的传输特性，是衡量激光雷达性能的一个重要因素，在对激光雷达系统进行设计和制作时，激光的大气传输特性对激光雷达系统的影响是不可忽略的。目前关于大气中激光雷达性能的分析都是基于Kolmogorov模型，而Kolmogorov模型并不能最贴切地反映大气。本论文基于随机介质中的光传输理论，深入研究了直接探测激光雷达和相干探测激光雷达在non-Kolmogorov大气湍流下的探测性能，并详细分析了大气湍流对激光雷达探测性能的影响。
首先对于直接探测激光雷达，在虚警率与探测概率一定时，采用了non-Kolmogorov大气湍流模型，分析了大气湍流的湍流强度、广义指数、内尺度和外尺度等参数对系统所需信噪比（SNRr）的影响。研究结果表明：湍流强度越强以及传输路径越长，系统所需信噪比越大，其受大气湍流的影响也越大；广义指数大于4时，湍流强度等参数的影响在系统设计时可忽略不计；采用波长较长的红外光时可降低系统所需信噪比；广义指数小于4且波长属于可见光时，内尺度对系统所需信噪比的影响不可忽略。
其次对于相干探测激光雷达在non-Kolmogorov大气湍流模型下，基于利托夫近似和惠更斯-菲涅尔原理，推导出相干探测激光雷达在non-Kolmogorov弱湍流中斜程探测时目标平面光束的平均光强和闪烁指数，进一步得到相干激光探测雷达的系统效率，并针对广义指数、天顶角、折射率结构常数、基站结构、望远镜孔径和光束类型对系统效率的影响进行了深入的研究。研究结果表明：当广义指数小于3.2或大于3.8时，相干探测激光雷达的系统效率减小幅度较大；随着天顶角的增大系统效率逐渐减小；双基站结构相干激光雷达的系统效率小于单基站结构；随着望远镜孔径的增大，系统效率存在最低值，并最终趋于不变；近场时，平行光情况下的系统效率最大，远场时发散光情况下的系统效率最大。
对于相干探测激光雷达在大气湍流三层模型下，无论是单基站结构还是双基站结构，三层模型下系统效率的变化与non-Kolmogorov湍流模型下的相似。在近场时，两种模型下的系统效率相差不大，但是随着探测距离的增大，三层模型下的系统效率与non-Kolmogorov湍流模型下的系统效率相比在逐渐减小。双基站结构下，两种模型之间的差距比单基站结构的小，这一现象在远场时更为显著。当望远镜孔径较小时，两种湍流模型下的系统效率相差较小，但随着孔径的增大，系统效率之间的差距逐渐增大。对于双基站结构的激光雷达，孔径对两种模型下系统效率的影响几乎相同。
本文的分析对今后激光雷达的研究和设计提供了重要的理论指导。